Канальные воздухонагреватели на базе PTC термисторов

Если Вы приобретаете обычный бытовой тепловентилятор, то скорее всего Вам попадется модель с популярными керамическими нагревательными элементами. Привычные ТЭНы постепенно уходят в прошлое. Оборудование с керамическими нагревательными элементами (PTC – Positive Temperature Coefficient) сегодня отлично соответствует основным запросам потребителей: они относительно недороги, компактны, немного весят, хорошо греют.

В последнее время на Московском рынке появляется все больше компактных вентиляционных установок на базе PTC –термисторов. Преимущественно это оборудование имеет отечественное происхождение или поставляется из Германии. При этом в рекламных брошюрах можно прочесть о том, что подобный тип воздухонагревателей способен регулировать температуру выходящего воздуха без применения автоматики – за счет полупроводниковых свойств PTC-термисторов саморегулировать температуру. В данной статье мы попробуем разобраться, так ли это на самом деле, и как это работает. Помимо этого, мы попытаемся сравнить эти данные с характеристиками традиционных ТЭН-овых нагревательных элементов и принципами их регулирования.

Нагревательным элементом в инновационных аппаратах служат полупроводниковые резисторы с положительным температурным коэффициентом. Их электрическое сопротивление зависит от температуры их поверхности. Это означает, что сопротивление PTC-термистора тем выше, чем ниже его температура или температура окружающего воздуха. Но у данной зависимости есть один очень приятный момент: нагрев элементов возможен лишь до определенной температуры. У большинства PTC-элементов это в районе 250 градусов Цельсия и это значение называется точкой переключения. Этот эффект не только делает элементы пожаробезопасными, но и предотвращает перегрев нагревателя, а также появление нежелательных запахов, например от сгорания частичек пыли, которые являются типичными для традиционных высокотемпературных нагревателей.

Процесс саморегулирования температуры происходит лишь на поверхности PTC-термистора. Температура воздуха при этом стремится к точке переключения. Что касается температуры воздуха в канале, она не отслеживается нагревательным элементом и может зависеть от большого количества факторов. Это и температура воздуха на входе в нагреватель, и его расход, мощность нагревателя. Поэтому в вентиляционных установках, где от нагревателя и требуется поддержание заданной температуры в канале, требуется вторичная система автоматического регулирования, которая обеспечивает обратную связь между температурой термистора и температурой воздуха в канале за нагревателем.

Итак, сопротивление термистора зависит от температуры его поверхности, а максимальная производительность по теплу достигается при высоких расходах и низкой температуре входного воздуха. Эти свойства существенно облегчают работу автоматических средств регулирования, и разгружает сеть в те моменты, когда вентиляционный агрегат не работает на всю мощность.

Мы произвели замеры потребляемой электрической мощности двух типов нагревательных элементов и отобразили полученные данные на графике. Для измерений мы использовали традиционный трехкиловаттный нагреватель, нагреватель на PTC-термисторах (14А) 3кВт, одноканальный электронный термостат с заданной температурой 20 градусов.

Как видно из графика, ток, потребляемый традиционным нагревателем, постоянен при включенном элементе. В противном случае ток равен нулю. Для многоступенчатого регулирования таких устройств применяются дорогостоящие элементы автоматического регулирования, которые в разы превышают по стоимости автоматику для керамических элементов, которая имеет максимум три ступени.

Еще одним немаловажным преимуществом керамических нагревательных элементов по сравнению с традиционными является срок их непрерывной работы без изменения электронных характеристик – более 20000 часов. Более того, если незначительное изменение точки переключения не окажет ощутимого эффекта в конкретной системе, то срок работы может исчисляться цифрами в 30000-40000 часов. А количество включений и выключений элемента никак не влияет на ресурс его работы. Что касается ТЭНов, то уже через 2000-3000 часов непрерывной эксплуатации на поверхности нихромовой спирали образуется нагар, который мешает равномерному прогреву, а регулирование посредством включения-выключения при помощи термостата намного сокращает это время.

Для предотвращения повторения большого количества циклов включения-выключения, применяют фазовые (плавные) средства автоматического регулирования, которые способны изменять производительность элемента. Но у этих устройств есть и обратная сторона медали – радиочастотные помехи.

Способы регулирования PTC-термисторов принципиально не отличаются от регулирования ТЭНов. Те же термостаты и PI-регуляторы. Но с учетом малой инерционности керамических элементов в моменты включения и выключения.

В заключение следует отметить, что при своих инновационных качествах и характеристиках, PTC-керамические элементы имеют один эксплуатационный нюанс. Изготавливаются такие нагреватели таким образом, чтобы между отдельными элементами был минимальный зазор. И при попадании влаги или пыли на полосках нагревателя образуется нагар или налет соли. Рано или поздно и то и другое способно вызвать короткое замыкание нагревателя, поэтому рекомендуется использовать с таким нагревателем фильтрующие элементы классом не ниже EU3.